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橋梁結(jié)構(gòu)碳纖維加固技術(shù)與應(yīng)用

（一）前言

中國橋梁工程的發(fā)展已具有相當(dāng)規(guī)模，公路交通量不斷增加，行車密度及車輛載重越來越大，公路橋梁負(fù)荷日趨加重。有一部分公路橋梁是中國20世紀(jì)80年代以前修建的，因其設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)偏低，普遍存在承載力不足的問題。而20世紀(jì)80年代以后修建的，其中已有不少橋梁暴露出缺陷，更有一些在遠(yuǎn)沒有達(dá)到設(shè)計(jì)壽命時(shí)出現(xiàn)耐久性能嚴(yán)重退化的現(xiàn)象，影響其承載能力和使用壽命。因此，采用適當(dāng)?shù)募庸毯透脑旒夹g(shù)措施，恢復(fù)和提高橋梁的承載能力及通行能力，延長橋梁的使用壽命，以適應(yīng)現(xiàn)代化交通運(yùn)輸?shù)男枰兊檬制惹小，F(xiàn)場拉拔是檢測碳布、鋼板粘貼效果的一個(gè)重要步驟，檢測合格可以說明現(xiàn)場的粘接效果是滿足要求，這也能充分說明結(jié)構(gòu)膠的粘接性能好壞。

（二）碳纖維材料特性

碳纖維增強(qiáng)塑料是碳纖維材料通過一定的制作工藝與特定的樹脂材料復(fù)合而制成的，其力學(xué)特點(diǎn)是應(yīng)力應(yīng)變量完全線彈性，不存在屈服點(diǎn)或塑性區(qū)。碳纖維材料具有優(yōu)異的物理力學(xué)性能。加固混凝土構(gòu)件所用的碳纖維布，是由碳纖維長絲經(jīng)編織而制成的柔軟片材。碳纖維布在編織時(shí)，將大量的碳纖維長絲沿一個(gè)主方向均勻平鋪，用的非主方向碳纖維絲將主方向碳纖維絲編織連接在一起，形成很薄的以主纖維方向受力的碳纖維布。碳纖維布的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)大于3000MPa，彈性模量大于2.0×l05MPa.綜合材料的物理、力學(xué)特性分析，要想大限度地發(fā)揮材料自身的優(yōu)勢(shì)，適宜將CFRP材料作為橋梁結(jié)構(gòu)的受拉或預(yù)應(yīng)力受彎構(gòu)件，特別適用于純受拉構(gòu)件，工程實(shí)踐也證明了這一點(diǎn)。目前，用于橋梁加固的碳纖維材料主要是承受拉應(yīng)力，約束裂縫的開展。芳綸纖維板耐熱性能穩(wěn)定，不論是在204℃的超高溫情況下還是-196℃的超低溫情況下，芳綸纖維板都可以不分解不熔化，其用于建筑加固都能增強(qiáng)基體的耐腐蝕性，耐久性，延長建筑物的使用壽命，從而在一定意義上降低了工程的維護(hù)成本和保養(yǎng)費(fèi)用。

（三）碳纖維加固補(bǔ)強(qiáng)的施工工藝

1、根據(jù)設(shè)計(jì)確定粘貼碳纖維的范圍進(jìn)行基底處理

(1)將砼構(gòu)件表面的殘缺、破損及碳化層部分清除干凈，達(dá)到結(jié)構(gòu)密實(shí)部位。檢查外露鋼筋是否有銹蝕，并進(jìn)行必要的處理。對(duì)經(jīng)過剔鑿、清理和露筋的構(gòu)件殘缺部分進(jìn)行修補(bǔ)復(fù)原；

(2)裂縫修補(bǔ)?？p寬小于0.2mm的裂縫，用環(huán)氧樹脂進(jìn)行表面涂刷密封；大于0.2mm的裂縫用環(huán)氧樹脂灌縫；

(3)將構(gòu)件表面凸出部分（模板的段差等）打磨平整，修復(fù)后的段差盡量平順。用磨光機(jī)把棱角磨成半徑大于30mm的圓角；

(4)清洗打磨過的構(gòu)件表面，并使其充分干燥。

2、底層涂刷（底層涂料具有較強(qiáng)的滲透性，可滲入砼表面內(nèi)）

(1)把底層涂料的主劑和固化劑按規(guī)定比例稱量準(zhǔn)確后放人容器內(nèi)，用攪拌器拌均勻，一次調(diào)和量應(yīng)在可使用時(shí)間內(nèi)用完為準(zhǔn)；

(2)用滾筒刷均勻的涂刷底層涂料；

(3)底層涂料固化后，表面有凸起部分時(shí)要用砂紙磨光；

(4)注意在氣溫小于5℃，相對(duì)濕度大于85，砼表面含水率在8%以上，有結(jié)露可能而無可靠保證措施時(shí)，均不得施工。

3、環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠對(duì)構(gòu)件表面殘缺的修補(bǔ)

(1)構(gòu)件表面凹陷部位應(yīng)用環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠填平，修復(fù)至表面平整；

(2)內(nèi)角（段差、起拱等）要用環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠填補(bǔ)使之平順。

4、貼碳纖維

(1)為了防止碳纖維受損，在碳纖維運(yùn)輸、儲(chǔ)存、裁切和粘貼過程中，嚴(yán)禁受彎折；

(2)碳纖維接頭必須搭接10cm以上，橫向不需搭接；

(3)按規(guī)定比例摻配樹脂主劑和固化劑，用滾筒刷均勻地涂刷黏結(jié)樹脂，稱為下涂；

(4)貼碳纖維時(shí)，在碳纖維片和樹脂之間盡量不要有空氣，可用羅拉沿著纖維方向在碳纖維上對(duì)此滾壓，使樹脂滲入碳纖維中。

5、養(yǎng)護(hù)

粘貼碳纖維片后，需自然養(yǎng)護(hù)24h達(dá)到初期固化，并保證固化期間不受干擾。

6、涂裝

根據(jù)需要可在樹脂固化后加固補(bǔ)強(qiáng)構(gòu)件表面，涂刷耐火涂層和色彩。

（四）碳纖維加固處理要點(diǎn)

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固處理前，先對(duì)梁板采取有效地卸載和支頂措施，然后按以下施工工序進(jìn)行加固施工。

1、破損面混凝土表面處理：清除被加固構(gòu)件表面的剝落、疏松、蜂窩、腐蝕等劣化混凝土，露出混凝土結(jié)構(gòu)層。

2、按設(shè)計(jì)要求對(duì)破損面鋼筋處理后用環(huán)氧樹脂裂縫膠進(jìn)行灌縫或封閉處理，并保證鋼筋保護(hù)層厚度不小于15mm.利用打磨機(jī)將其表面打磨平整，并用鋼刷將其表面的粉塵、油污等不潔物清除干凈，使構(gòu)件加固表面平整、干燥無粉塵。3、碳纖維布加固的施工簡便、已操作，不需大型施工機(jī)構(gòu)及周轉(zhuǎn)材料等，在一定程度上縮短了加固施工工期。另外，如碳纖維需沿基纖維方向繞構(gòu)件轉(zhuǎn)角處粘貼時(shí)，轉(zhuǎn)角粘貼處要進(jìn)行倒角處理并打磨成圓弧狀，圓弧半徑不應(yīng)小于20mm.

3、涂刷底層樹脂：用滾筒刷將底層樹脂均勻涂抹于混凝土表面，待樹脂表面指觸干燥時(shí)即進(jìn)行下一道工序施工。

4、找平處理：表面凹陷部位用找平材料填補(bǔ)平整，且不應(yīng)有菱角。

5、粘貼碳纖維片材：將配制好的浸漬樹脂均勻涂抹于所要粘貼的部位，并用橡膠滾筒沿纖維方向多次滾壓，擠除氣泡，使浸漬樹脂充分浸透碳纖維布，滾壓時(shí)不得損傷碳纖維布。多層粘貼重復(fù)上述步驟，待纖維表面接觸干燥時(shí)即可進(jìn)行下一層的粘貼。如超過60min，則應(yīng)等12h后，再行涂刷粘結(jié)劑粘貼下一層。芳綸碳纖維板1、芳綸纖維板是以芳綸纖維為增強(qiáng)材料，以環(huán)氧樹脂為基體材料，并滲入適量輔助劑，經(jīng)拉擠工藝和加熱固化處理形成的一種新型復(fù)合材料。

6、在后一層的碳纖維布的表面均勻涂抹浸漬樹脂。

7、必要時(shí)進(jìn)行表面防護(hù)及外觀處理。

（五）注意事項(xiàng)

1、碳纖維片材選擇注意事項(xiàng)

碳纖維片材的編織均勻性，將直接影響加固質(zhì)量。碳纖維束只有分布排列均勻，加工成復(fù)合材料后才能起到整體均勻受力的作用，若材質(zhì)的均勻性不好，則構(gòu)件受力后到之纖維片拒不受力不均，使碳纖維補(bǔ)強(qiáng)的效果不能充分發(fā)揮出來。因此，選擇均勻性較好的碳纖維片材，是加固質(zhì)量的關(guān)鍵。采用化學(xué)膠管或植筋膠植入螺栓時(shí)，應(yīng)保證孔內(nèi)膠液飽滿且螺栓垂直于梁面。

2、碳纖維（片材）粘貼注意事項(xiàng)

①在表面處理和粘貼碳纖維片材前，應(yīng)按加固設(shè)計(jì)部位放線定位。

②按設(shè)計(jì)要求的尺寸裁剪碳纖維片材，裁剪后的織物寬度不宜小于150mm且不應(yīng)小于100mm.

③將碳纖維片材表面擦拭干凈至無粉塵。如需粘貼兩層時(shí)，對(duì)底層碳纖維片材兩面均應(yīng)擦拭干凈。

④擦拭干凈的碳纖維片材應(yīng)立即涂刷粘結(jié)樹脂，膠層應(yīng)呈凸起狀，平均厚度不小于2mm.

⑤將涂有粘結(jié)樹脂的碳纖維片材用手輕壓貼于需粘貼的位置。用橡膠滾筒順纖維片材方向均勻平穩(wěn)壓實(shí)，使樹脂從兩邊溢出，保證密實(shí)無空洞。當(dāng)平行粘貼碳纖維時(shí)，兩片之間孔隙應(yīng)不小于5mm.

⑥需粘貼兩層碳纖維片材時(shí)，可連續(xù)粘貼。如不能連續(xù)粘貼，則再開始前應(yīng)對(duì)底層碳纖維片材重新做好清潔工作。

⑦施工宜在5℃以上環(huán)境溫度條件下進(jìn)行，并應(yīng)符合配套樹脂的施工使用溫度。當(dāng)環(huán)境溫度低于5℃時(shí)，應(yīng)使用適用于低溫的配套樹脂或采用升溫處理措施。

⑧施工時(shí)應(yīng)考慮環(huán)境濕度對(duì)樹脂固化的不利影響，其粘貼部位混凝土的含水率不應(yīng)大于4％。

⑨樹脂配制時(shí)應(yīng)按產(chǎn)品使用說明規(guī)定的配比稱量置于容器中，用攪拌器均勻攪拌至色澤均勻。攪拌用容器內(nèi)不得有油污及雜質(zhì)。宜根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際溫度決定樹脂的每次拌合量，并嚴(yán)格控制使用時(shí)間。

⑩為了保證粘貼的質(zhì)量，不同季節(jié)、不同溫度條件下，應(yīng)使用不同型號(hào)的粘貼樹脂，這樣才能對(duì)樹脂施工的可操作時(shí)間和固化時(shí)間進(jìn)行有效控制。

（六）對(duì)碳纖維加固補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)的展望

碳纖維用于砼結(jié)構(gòu)的修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)雖然時(shí)間不長，但發(fā)展很快，其主要原因在于碳纖維片加固存在較多優(yōu)點(diǎn)：

1、施工簡便迅速，無需模板、夾具、支撐等；

2、不增加結(jié)構(gòu)重量，碳纖維片重量200g/m2～300g/m2，設(shè)計(jì)厚度0.111mm～0.167mm，加上環(huán)氧樹脂的重量也很輕，對(duì)結(jié)構(gòu)自重影響可忽略不計(jì)；

3、能適應(yīng)各種結(jié)構(gòu)外形的補(bǔ)強(qiáng)；

4、可以多層粘貼?？筛鶕?jù)設(shè)計(jì)要求，在一個(gè)部位重疊粘貼。

（七）結(jié)束語

隨著我國高等級(jí)公路的迅速發(fā)展，高速公路橋梁通車?yán)锍桃苍诓粩嘣鲩L，橋梁由于各種原因造成承載力降低、混凝土強(qiáng)度降低或需要提高抗震能力和修補(bǔ)橋梁裂縫，都可以應(yīng)用碳纖維布補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)。

環(huán)氧樹脂碳纖維復(fù)合筋的性能

1、環(huán)氧樹脂的運(yùn)用

環(huán)氧樹脂的運(yùn)用十分廣泛，但主要分布在建筑中，能作為建筑涂料，如環(huán)氧樹脂地坪涂料、耐腐蝕性涂料，混凝土管涂料等，還能憑借優(yōu)異的粘合性，作為粘膠劑被運(yùn)用在建工程中，如混凝土的“整體工程”鏈接。建筑物的修補(bǔ)、水泥制品的修補(bǔ)、建筑設(shè)施中二修補(bǔ)等。與其他芳綸纖維、玻璃纖維不同，碳纖維具有明顯的各向異性，柔軟可加工性。

2、碳纖維筋的優(yōu)勢(shì)

碳纖維具有較強(qiáng)的防水和防滲漏的特點(diǎn)，具有耐酸、耐堿的耐腐蝕性，阻燃性和良好的力學(xué)性能和料號(hào)的導(dǎo)電導(dǎo)熱性，因此也在建筑工程和其他領(lǐng)域被廣泛運(yùn)用。據(jù)投資顧問行業(yè)研究中心相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，目前世界碳纖維的需求量將以每年約13%的速度增長。在2011年，世界聚基碳纖維的全球需求量為5萬噸，2012年達(dá)6萬噸，到2018年需求量將達(dá)到10萬噸。由此可見，碳纖維的使用越來越廣泛。碳纖維布的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)大于3000MPa，彈性模量大于2。

3、環(huán)氧樹脂碳纖維復(fù)合筋的特性

環(huán)氧樹脂炭纖維筋的比重遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于PVC鋼絞線，同樣體積的材料，重量上環(huán)氧樹脂碳纖維復(fù)合筋的優(yōu)勢(shì)很大；也就是說如果Vmax與V0差值較小，碳纖維抗剪加固的作用也是有限的。環(huán)氧樹脂碳纖維復(fù)合筋抗拉強(qiáng)度也大于鋼絞線，其熱膨脹系數(shù)較低，就說明在相同的溫度下，膨脹的程度會(huì)低很多，用環(huán)氧樹脂碳纖維復(fù)合筋代替PVC鋼絞線，對(duì)于高層建筑來說是一項(xiàng)很的運(yùn)用。

碳纖維板加固的優(yōu)勢(shì)

碳纖維板受力效果好

《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》明確規(guī)定一級(jí)碳纖維布和碳纖維板在重要構(gòu)件中的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值分別為1600MPa、1150MPa，我們以10cm寬300g碳布和1.2厚碳板為例來說：

10cm碳布計(jì)算的拉力為1600*100*0.167（300g碳布厚度）=26720N。

10cm碳板計(jì)算的拉力為1150*100*1.2=138000N。

從計(jì)算結(jié)果我們可以看出粘貼一層相同寬度1.2mm厚的碳板是粘貼一層300g碳布所能承受拉力的5倍多。

強(qiáng)度利用率良好

上面我們提到一級(jí)碳布在重要構(gòu)件中抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為1600MPa，一級(jí)碳板在重要構(gòu)件中抗拉強(qiáng)度為1150MPa，而一級(jí)碳纖維布的極限抗拉強(qiáng)度和一級(jí)碳板的極限抗拉強(qiáng)度分別為3400MPa、2400MPa。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)我們可以分別計(jì)算出他們的強(qiáng)度利用率：

碳布強(qiáng)度利用率：

1600/3400=47.1%

碳板強(qiáng)度利用率：

1150/2400=47.9%

可見碳板相比于碳布的強(qiáng)度利用率不落于下風(fēng)。

粘貼碳板質(zhì)量更好控制

碳板是碳纖維原絲通過使用樹脂浸潤硬化形成碳纖維板材，本身材質(zhì)較硬，在抹膠時(shí)膠層控制好，粘貼時(shí)把壓力控制好，粘貼效果就不會(huì)出現(xiàn)問題。而碳纖維布粘貼過程中，會(huì)出現(xiàn)一系列例如翹邊、鼓包的通病。并且碳布粘貼相比于碳板粘貼基面要求要更高一些。